鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1580次 | 2018年09月21日
【解析】全球石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
鋰電池傳統(tǒng)制造強(qiáng)國(guó)是日本和韓國(guó),在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機(jī)。但發(fā)明石墨烯的英國(guó)也有很大的突破,同時(shí)在歐洲德國(guó)的石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也不容小覷。同時(shí)我們也應(yīng)該意識(shí)到我國(guó)在石墨烯商業(yè)化應(yīng)用上全球還是處于領(lǐng)先地位。認(rèn)清當(dāng)前形勢(shì),才能更好的發(fā)展被寄予很多希望的石墨烯。
英國(guó)科學(xué)家發(fā)明石墨烯10年后,在電池上的應(yīng)用獲得巨大突破。12月初,西方媒體報(bào)道,西班牙Graphenano公司和西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研發(fā)的石墨烯電池,一次充電時(shí)間只需8分鐘,可行駛1000公里。它被石墨烯研究者稱做“超級(jí)電池”。
“我們現(xiàn)在還在了解情況,正在求證西班牙這種電池的具體情況,如果確認(rèn)是這樣的,那確實(shí)是革命性的變化出來(lái)了。”中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)李義春12月24日對(duì)筆者稱。
西班牙的“超級(jí)電池”很快將像特斯拉一樣應(yīng)用于汽車上,據(jù)西方媒體報(bào)道,它的擁有者12月在德國(guó)兩大汽車巨頭的汽車上進(jìn)行試驗(yàn),并在2015年第一季度生產(chǎn)上市使用。
石墨烯充電時(shí)間接近加油
目前,全球汽車制造商使用的動(dòng)力電池主要使用鋰電池,以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池(鈷酸鋰電池)、以比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰電池。
這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度最高,但它在高溫下也最不穩(wěn)定;磷酸鐵鋰電池最穩(wěn)定,但能量密度最低。
鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)沉寂了20年沒(méi)有大的技術(shù)革新。一位研究動(dòng)力電池的專家稱,其最大的障礙在于,鋰離子電池功率密度有限,其大量能量無(wú)法快速接收或釋放。
特斯拉升級(jí)版的Roadster3.0采用了改進(jìn)過(guò)的鋰電池,特斯拉沒(méi)有確認(rèn)是否加入了石墨烯。不過(guò),它的性能有大幅度的提升,恐怕只有石墨烯能做到。新改進(jìn)的18650型鋰電池的容量大幅度加大,6831節(jié)電池組數(shù)量沒(méi)有增加,但電池組的總?cè)萘繌?3kWh提高到了70kWh。
據(jù)接受采訪的專家介紹,石墨烯的結(jié)構(gòu)可以改變鋰電池技術(shù)長(zhǎng)期沒(méi)有突破的障礙。石墨烯片材內(nèi)部結(jié)構(gòu)間隔擴(kuò)大,以允許更多的電解質(zhì)“潤(rùn)濕”及鋰離子電池中的鋰離子獲得高速率通道的性能。
“石墨烯的特點(diǎn)是導(dǎo)電速度快,導(dǎo)電性能好,目前很多研究都在實(shí)驗(yàn),具體哪一塊很難說(shuō),不過(guò)縮短充電時(shí)間等是肯定的?!崩盍x春說(shuō)。按照美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研究人員的預(yù)計(jì),石墨烯陽(yáng)極材料比如今鋰離子電池中慣用的石墨陽(yáng)極充電或放電速度快10倍。
按照西班牙上述機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù),石墨烯也可能大幅度增加電池的容量?!俺?jí)電池”參數(shù)顯示,其能量密度超過(guò)600wh/kg,是目前動(dòng)力鋰電池的5倍;使用壽命是目前鋰電池兩倍;其成本將比目前鋰電池降低77%。
鋰電池傳統(tǒng)制造強(qiáng)國(guó)是日本和韓國(guó),在石墨烯電池上他們也正在搶奪技術(shù)先機(jī),韓國(guó)科學(xué)家早在去年11月就宣布,最新發(fā)明的石墨烯超級(jí)手機(jī)電池,可存儲(chǔ)與傳統(tǒng)電池等量的電量,但充電時(shí)間只需16秒。
日本在電池技術(shù)上實(shí)行兩條路線并行,除了發(fā)展普通意義上的鋰電池,他們還研究燃料電池技術(shù),用特制的石墨烯材料替代鉑作為催化劑,來(lái)制造燃料電池車所需的氫燃料,獲得突破。
據(jù)李義春介紹,目前石墨烯的研究總體上分兩塊:一是在傳統(tǒng)鋰電池上進(jìn)行應(yīng)用,目的是改進(jìn)、提升鋰電池的性能,這類電池不會(huì)產(chǎn)生顛覆性的影響;二是依據(jù)石墨烯制造一個(gè)新體系的電池,它是一個(gè)嶄新系列的,在性能上是顛覆性的,稱作“超級(jí)電池”。
中國(guó)2015年量產(chǎn)石墨烯鋰電池
新能源汽車推廣長(zhǎng)達(dá)5年,但效果并不理想。據(jù)工信部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2014年前11個(gè)月,我國(guó)新能源汽車?yán)塾?jì)生產(chǎn)5.67萬(wàn)輛,和2015年純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量力爭(zhēng)達(dá)到50萬(wàn)輛的目標(biāo)差距巨大。
市場(chǎng)化艱難的主要原因在于使用的便捷度上:一是續(xù)航里程較低,消費(fèi)者普遍有里程焦慮;二是充電設(shè)施不完善,充電不方便影響使用。
在傳統(tǒng)的解決方案中,車企采用了先推廣混合動(dòng)力車型緩解里程焦慮,消費(fèi)者可以根據(jù)實(shí)際情況選擇用油或者用電;另一個(gè)角度,國(guó)家鼓勵(lì)大規(guī)模建設(shè)充電站和充電樁,緩解充電難。
石墨烯超級(jí)電池的出現(xiàn),可能徹底改變現(xiàn)有的充電問(wèn)題。續(xù)航里程成倍增長(zhǎng),長(zhǎng)途出行的里程焦慮可能徹底打破。以西班牙的超級(jí)電池為例,1000公里的續(xù)航里程幾乎接近北京到上海的直線距離,遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)汽車一箱油的行駛距離。
石墨烯充電速度提升,可以減少充電時(shí)間,宏觀上可以大范圍減少充電站和充電樁的需求。以目前全球領(lǐng)先地位的特斯拉ModelS85為例,其通過(guò)大功率的超級(jí)充電站充電,也要80分鐘才能充滿,車主等充電的時(shí)間仍然是一次煎熬。
“超級(jí)電池10分鐘的充電時(shí)間,比加一次油時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)點(diǎn),但續(xù)航里程比一箱油要長(zhǎng)很多,消費(fèi)者再也不會(huì)抱怨?!币晃黄嚇I(yè)內(nèi)人士分析稱。
目前,油電混合動(dòng)力車被認(rèn)為是市場(chǎng)上最適合由燃油車過(guò)渡到電動(dòng)車的最好產(chǎn)品,而且這個(gè)過(guò)渡階段可能長(zhǎng)達(dá)15-20年,但電池材料的進(jìn)步可能推翻這種預(yù)判,甚至連純電動(dòng)車的普及也可能不需要那么長(zhǎng)時(shí)間。
“超級(jí)電池”一旦大規(guī)模應(yīng)用到電動(dòng)車上,對(duì)整個(gè)行業(yè)將是顛覆性的?!耙恍┌倌贶嚻罂赡軟](méi)有這項(xiàng)技術(shù)而衰落,而一些只有十幾、二十年的車企,因?yàn)檎莆招虏牧霞夹g(shù),可能成為新的巨頭。”
李義春介紹說(shuō),目前國(guó)內(nèi)對(duì)石墨烯電池的研究進(jìn)展順利,一些高校研發(fā)團(tuán)隊(duì)和深圳的企業(yè)進(jìn)行合作,研究已經(jīng)進(jìn)入了中試階段,“預(yù)計(jì)2015年上半年就可能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),性能會(huì)有很多提升。比如可以在不增加多少成本前提下,增加鋰電池的充放電次數(shù),提高電池安全性等?!?br/>
中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟在2013年就已經(jīng)向國(guó)家各部委上報(bào)了多個(gè)石墨烯研發(fā)示范基地,無(wú)錫、重慶、南京、青島、常州等紛紛建立石墨烯產(chǎn)業(yè)示范基地。2014年12月,國(guó)家主席習(xí)近平親赴江蘇高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究院,調(diào)研石墨烯研發(fā)及參觀產(chǎn)品展示。
不過(guò),據(jù)石墨烯電池研究人士透露,目前國(guó)內(nèi)主要研究的是石墨烯運(yùn)用到鋰電池上,而非全新體系的“超級(jí)電池”,所以國(guó)內(nèi)技術(shù)和超級(jí)電池有一定差距。國(guó)家相關(guān)部門對(duì)此很重視,2015年出臺(tái)的“十三五”新材料規(guī)劃可能將石墨烯納入其中。
德國(guó)石墨烯行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r概覽
2004年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈-海姆和康斯坦丁-諾沃肖洛夫最早發(fā)現(xiàn)并揭示了石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)。此后,歐洲作為石墨烯的誕生地,開(kāi)始提前布局這一領(lǐng)域。德國(guó)作為歐洲較早研究石墨烯的國(guó)家,在2009年即宣布投入巨資研究這種即將在未來(lái)改變?nèi)祟惿畹纳衿娌牧?。盡管取得的科研成果頗豐,但時(shí)至2015年,德國(guó)的石墨烯商業(yè)化進(jìn)程仍頗為緩慢。雖然石墨烯未來(lái)可能在信息技術(shù)、能源、交通、醫(yī)療保健等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用,但距離真正走進(jìn)人們的生活,相差的可能不僅僅是“一步之遙”。
背景資料:
德國(guó)石墨烯行業(yè)發(fā)展政策與規(guī)劃德國(guó)科學(xué)基金會(huì)(DFG)在2009年7月宣布開(kāi)展時(shí)間跨度為6年的石墨烯新興前沿研究項(xiàng)目,該項(xiàng)目的目的是提高對(duì)石墨烯性能的理解和操控,以建立新型的石墨烯基的電子產(chǎn)品。2010年DFG啟動(dòng)了優(yōu)先研究項(xiàng)目——石墨烯(SPP1459),包括38個(gè)研究項(xiàng)目,前3年預(yù)算經(jīng)費(fèi)為1060萬(wàn)歐元。
基金資助領(lǐng)域主要包括:適合石墨烯基電子設(shè)備的制備;石墨烯電子、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、振動(dòng)等性能表征與操控;石墨烯納米結(jié)構(gòu)制備和表征及性能操控;石墨烯與襯底材料、柵極材料相互作用的理解和控制;輸運(yùn)研究(如聲子和電子傳輸、量子傳輸、彈道輸運(yùn)、自旋運(yùn)輸)、新型裝置示范(如場(chǎng)效應(yīng)器件、等離子器件、單電子晶體管)以及石墨烯的理論研究(如石墨烯電子和原子結(jié)構(gòu)、電子聲子運(yùn)輸、自旋、石墨烯機(jī)械和振動(dòng)性能、納米結(jié)構(gòu)、器件模擬)等。
最新成果:
石墨烯光電探測(cè)器:
2012年10月,慕尼黑工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種方法,首次將測(cè)量到的石墨烯內(nèi)光電流的時(shí)間分辨率提高到皮秒范圍,這允許他們探測(cè)僅僅為幾皮秒的脈沖。
光電探測(cè)器的核心在于通過(guò)金屬接觸融入電路的自由懸浮態(tài)的石墨烯。光電流的時(shí)間動(dòng)態(tài)可通過(guò)名為“共平面帶狀線”的方法測(cè)量,該方法由特殊的時(shí)間分辨激光光譜程序,即泵浦探測(cè)技術(shù)所評(píng)估。激光脈沖會(huì)激發(fā)石墨烯中的電子,而這一過(guò)程的動(dòng)態(tài)會(huì)被另一束激光所監(jiān)控。有了這項(xiàng)技術(shù),物理學(xué)家能精確監(jiān)視石墨烯中的光電流究竟如何產(chǎn)生。
科學(xué)家還利用新方法進(jìn)一步觀察后發(fā)現(xiàn),當(dāng)石墨烯被光刺激時(shí),可散發(fā)太赫茲(THz)范圍的輻射,這位于紅外光和電磁光譜中的微波輻射之間。關(guān)于太赫茲輻射的特殊之處在于,它顯示了相鄰頻率范圍的共享屬性,其可以像粒子輻射般捆綁,也滲透了電磁波的特性。這使其成為了材料試驗(yàn)的理想備選,并可應(yīng)用于特定的醫(yī)療領(lǐng)域。
納米級(jí)碳纖維導(dǎo)線
未來(lái)的電子元件將微小到分子級(jí)別。這些微小的元件將取代目前硅晶的地位,成為計(jì)算機(jī)處理器的核心。馬克思˙普朗克研究所正在研究的一種被稱為石墨烯的納米級(jí)碳纖維。位于柏林的弗里茨-哈勃-研究所,是馬克思˙普朗克研究所旗下的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)展示了一種納米導(dǎo)線,可以在分子級(jí)別的晶體管或其他元件之間傳遞電流。這種極細(xì)的導(dǎo)線由一條石墨烯窄帶組成。研究人員用掃描隧道顯微鏡,在不同長(zhǎng)度和電流的強(qiáng)度的條件下,測(cè)量其導(dǎo)電系數(shù)?!巴ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)我們可以了解,電流在石墨烯納米帶上會(huì)產(chǎn)生什么效果”,研究人員解釋說(shuō)。
首先,研究人員要確定,他們的納米導(dǎo)線是否是完美的導(dǎo)體,導(dǎo)線長(zhǎng)度是否會(huì)影響其導(dǎo)電性能。為此,研究人員必須進(jìn)行一種頗為棘手的實(shí)驗(yàn):他們要在不同的電壓下,觀察石墨烯帶在不同長(zhǎng)度下的電流。因此研究人員要用一條石墨烯帶,將掃描隧道顯微鏡的尖端與一塊黃金的表面相連。
在電壓較高的情況下,石墨烯帶很容易燒毀“,馬提亞斯˙科赫(MatthiasKoch)說(shuō),此次試驗(yàn)即是他博士論文的主題?!彪m然我們?cè)谠囼?yàn)中掌握了一些竅門,但也要嘗試多次,才能成功將二者相連?!?br/>
測(cè)量發(fā)現(xiàn),電流經(jīng)過(guò)石墨烯的方式與經(jīng)過(guò)銅線不同。電子在石墨烯中以量子的隧道效應(yīng)方式的通過(guò)。而經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為只有量子才能以此方式通過(guò),這對(duì)于其它物質(zhì)是一重?zé)o法跨越的屏障。
需要跨越的距離越遠(yuǎn),到達(dá)另一端的電子就越少。”因此,納米導(dǎo)線的導(dǎo)電性與其長(zhǎng)度相關(guān)“,科赫說(shuō)。以隧道效應(yīng)通過(guò)的電子,遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于同等條件下使用傳統(tǒng)導(dǎo)體通過(guò)的電子。
石墨烯原子磁化狀態(tài):
來(lái)自瑞士、德國(guó)和美國(guó)研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)揭開(kāi)了石墨烯原子與金屬基底材料之間的聯(lián)系,原來(lái)墨烯上原子的磁化狀態(tài),被石墨烯所生長(zhǎng)的金屬基底材料悄悄“操控”著。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用在未來(lái)的計(jì)算裝置上。
在研究吸附于單層石墨烯上的鈷原子時(shí),研究人員注意到其產(chǎn)生了面內(nèi)磁化;但是,當(dāng)石墨烯生長(zhǎng)于釕基底上,鈷原子的磁化效應(yīng)又搖身一變,成為面外磁化。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),研究人員認(rèn)為,通常來(lái)說(shuō),石墨烯上原子的磁化狀態(tài)會(huì)受到所用初始金屬基底材料類型的影響。這一發(fā)現(xiàn)意味著磁化過(guò)程可以“私人訂制”,為基于原子自旋狀態(tài)而制備的自旋電子器件材料帶來(lái)了新可能。
更進(jìn)一步,研究人員還發(fā)現(xiàn)碳原子與基底材料之間相互吸引力的強(qiáng)弱也取決于基底材料的金屬種類。比如說(shuō),如果用釕做基底,可觀察到強(qiáng)吸引力;但如果基底換成銥或鉑,則表現(xiàn)出極其微弱的吸引力。研究人員解釋說(shuō),這是因?yàn)樗褂玫慕饘俨牧喜煌荚雍徒饘僭又g的距離遠(yuǎn)近也不同;反過(guò)來(lái),這也意味著碳原子和金屬基底兩者之間的電子轉(zhuǎn)移同樣會(huì)受到影響,最終不同類型的石墨烯片層得以產(chǎn)生。
商業(yè)化應(yīng)用:
日前,西班牙Graphenano公司與西班牙研究機(jī)構(gòu)研發(fā)出全球首例石墨烯聚合材料電池。德國(guó)兩大知名汽車廠商將在近期進(jìn)行這款電池的相關(guān)試驗(yàn)。如果試驗(yàn)順利,這種石墨烯聚合材料電池可能得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。
盡管德國(guó)于2009年就開(kāi)始投入大量資金進(jìn)行石墨烯方面的研究,但其產(chǎn)業(yè)化成果并不突出。這也說(shuō)明對(duì)于石墨烯這種新興材料,目前世界各國(guó)幾乎處于同一起跑線上。誰(shuí)在低成本、大規(guī)模量產(chǎn)上有所突破,誰(shuí)就將獲得產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先機(jī)。